Grafensemiconductorer – Är de äntligen här?

Idag driver halvledare den moderna världen. De är ryggraden i elektroniska enheter, och en upptäckt syftar till att omvandla elektronikindustrin avsevärt. 

De kallas också mikrochips eller integrerade kretsar (ICs), halvledare är material som har en elektrisk ledningsförmåga som ligger mellan ledare som aluminium och koppar och isolatorer som keramik och glas.

Halvledare är känsliga för ljus och värme, och deras resistans varierar. Halvledarens resistivitet minskar när temperaturen stiger, i motsats till hur metaller beter sig.

Några exempel på halvledare inkluderar kisel och germanium, som är rena grundämnen och lätt kan hittas i naturen. Sedan finns föreningar som kadmiumselenid och galliumarsenid. Dessutom, för att ändra ledningsförmågan eller egenskaperna hos material, tillsätts små mängder föroreningar till rena halvledare via en process som kallas dopning.

Alltså, beroende på deras renhet klassificeras halvledare i – intrinsiska halvledare, som är naturliga material bestående av en enda typ av atom och kan användas direkt i enheter, och extrinsiska halvledare, som först måste dopas för att kunna användas i enheter. Omvandling av intrinsiska halvledare ger två typer av extrinsiska halvledare: N-typ eller donatorer och P-typ eller acceptorer.

Halvledare används för dioder, som omvandlar växelström till likström, transistorer eller strömförstärkare, samt elektroniska kretsar, som är avgörande i tillverkningen av olika typer av elektroniska enheter.

Med halvledare får vi fördelen att de saknar filament. Därför behöver de inte värmas upp för att avge elektroner. Detta innebär också att halvledare kan användas omedelbart. Dessutom är de små i storlek; de är därför kompakta, bärbara och förbrukar mindre energi. Halvledare är också relativt billiga.

Halvledare är en integrerad del av våra liv, för utan dem skulle det inte finnas TV, radio, datorer, smartphones, bilar, kylskåp och videospel. Halvledare möjliggör i princip skapandet av små brytare som kan slås på och av för att kontrollera elektrisk ström, och denna ström som flyter genom elektriska kretsar får elektroniska enheter att fungera.

Detta gör halvledare till en väsentlig komponent i elektroniska enheter för att möjliggöra framsteg inom databehandling, kommunikation, sjukvård, transport, ren energi, försvar, hushållsapparater, spelhårdvara och många andra tillämpningar.

Under de senaste årtiondena har utvecklingen inom halvledarteknik gjort dessa elektroniska enheter inte bara mindre utan också snabbare, mer sofistikerade, kompatibla och pålitliga.

Företag som arbetar med halvledare organiserar vanligtvis sina aktiviteter antingen kring design eller tillverkning. De som fokuserar på design kallas ”fabless”-företag, medan de som enbart fokuserar på tillverkning kallas ”foundries”, och de som gör både och kallas Integrated Device Manufacturers, eller IDMs.

Under de senaste åren har det funnits en halvledarkris. Sedan slutet av 2020, efter pandemin och nedstängningarna, när efterfrågan på elektroniska enheter sköt i höjden, har det uppstått en brist på mikrochips och elektroniska kretsar globalt.

Samtidigt har distansundervisning, distansarbete och den ökande digitaliseringen orsakat enorm tillväxt i efterfrågan på elektroniska enheter, och nya tekniska framsteg har lett till disruptiva teknologier som AI, VR, 5G, big data och molntjänster som ytterligare förvärrat situationen.

Som svar på detta investerar företag världen över enorma resurser för att hitta en lösning på problemet. 

En stor upptäckt: Det första funktionella grafensemikonduktorn 

Galliumarsenid är ett populärt halvledarmaterial som används i solceller, laserdioder och mikrovågsfrekvensintegrerade kretsar. Det vanligaste halvledarmaterialet idag är dock kisel, som spelar en kritisk roll i tillverkningen av de flesta elektroniska kretsar. Men materialet närmar sig sin gräns – det kräver stora mängder energi, vilket får forskare att söka efter ett alternativ.

Och det finns ett annat element, grafen, som inte betraktas som ett halvledarmaterial men kan användas för att tillverka chip och kretsar. Det är ett mycket ledande material som effektivt avleder värme, vilket förbättrar prestandan hos elektroniska komponenter. Det har också överlägsen hastighet och energieffektivitet jämfört med kisel utan att kräva stora mängder energi, vilket gör det extremt fördelaktigt att använda vid skapandet av elektronik.

Grafen är ett extremt tunt material, bara ett atomtjockt lager kol arrangerat i hexagoner, och är grunden för grafit. Trots att det är det tunnaste materialet som människan känner till, är det mycket starkt (ungefär 200 gånger starkare än stål) och flexibelt. 

Dessutom är detta enda lager av kolatomer en utmärkt ledare av värme och elektricitet och har intressanta ljusabsorptionsförmågor. Därför har materialet potential att revolutionera många tillämpningar, inklusive sensorer, solceller, batterier och mer.

Materialet är dock inte utan problem, bland annat på grund av grafens exceptionella elektriska ledningsförmåga, vilket gör det svårt att använda som ett halvledarmaterial. Därför behövs ett bandgap, som möjliggör att halvledare kan slås på och av, vilket grafen vanligtvis saknar. För att införa ett bandgap i grafen har forskare tillverkat grafen i specifika former eller använt andra 2D-material som har ett inneboende bandgap tillsammans med materialet, men har misslyckats med att producera ett livskraftigt halvledande grafen.

När forskare arbetar med grafen gjordes nyligen ett genombrott där forskare demonstrerade det första funktionella grafensemikonduktorn, vilket innebär att de förändrar dator- och elektronikvärlden för alltid. Detta uppnåddes genom att övervinna hindret som har påverkat grafforskning i många år, att ha rätt bandgap som kan slås på och av i rätt förhållande – ett avgörande steg i att göra grafchipbaserad elektronik till verklighet.

Grafensemikonduktorn med ett bandgap är inte bara funktionell utan kan också integreras i befintliga tillverkningsprocesser. Publicerad i Nature under den första veckan 2024, studien visade ett funktionellt grafensemikonduktör som kan användas i nanoelektronik.

För detta ledde Walter de Heer, professor i fysik vid Georgia Institute of Technology, en forskargrupp och samarbetade med Kinas Tianjin University. Och han sade:

“Vi har nu ett extremt robust grafensemikonduktör med tio gånger högre rörlighet än kisel, och som också har unika egenskaper som inte finns i kisel. Men historien om vårt arbete de senaste tio åren har varit: ‘Kan vi få detta material tillräckligt bra för att fungera?'”

Tidigt i sin karriär började De Heer med att utforska kolbaserade material som potentiella halvledare, och övergick sedan till 2D-grafen för mer än tjugo år sedan. Teamet var “motiverat av hoppet att införa tre speciella egenskaper hos grafen i elektronik” – ett extremt robust material, dess förmåga att hantera mycket stora strömmar, och att göra det utan att värmas upp och gå sönder.

Genombrottet uppnåddes när teamet lyckades ta reda på hur man odlar grafen på kiselkarbidskivor – som används i elektroniska enheter och möjliggör effektiv energikonversion – genom att använda specialiserade ugnar samt en särskild värme- och kylprocess. 

Detta ledde till epitaxial grafen, vilket är ett lager som växer på kristallytan av kiselkarbid (en hård kristallin förening som innehåller kisel och kol), som, när det tillverkas korrekt, kemiskt binder till kiselkarbiden och uppvisar halvledande egenskaper.

För att skapa en funktionell transistor måste teamet säkerställa att dess egenskaper inte skadas när det halvledande materialet manipuleras för att fungera som en transistor. För detta var teamet först tvungen att kontrollera om materialet var en god ledare och använda dopningstekniken för att göra det, och det fungerade utan att skada materialet eller dess egenskaper. 

Övergången till kiselkarbidskivor, enligt de Heer, är “ganska genomförbar”. Studien fann att deras grafensemikonduktör har mycket högre rörlighet än kisel, vilket betyder att elektronerna rör sig med mycket låg resistans. I elektronik innebär detta snabbare beräkningar. 

“Det är som att köra på en grusväg jämfört med att köra på en motorväg,” sade de Heer. “Det är mer effektivt, det blir inte lika varmt, och det möjliggör högre hastigheter så att elektronerna kan röra sig snabbare.”

Revolutionerande genombrott för att driva framtida elektronik

Det var efter tio års forskning som den senaste studien lyckades odla grafen på speciella kiselkarbidchip. Teamet ändrade grafens kemiska egenskaper för att uppnå den önskade strukturen så att grafen kan fungera som ett högkvalitativt halvledarmaterial.

När det gäller att få grafen-elektronik att bli verklighet noterade de Heer:

“Vi var tvungna att lära oss hur man behandlar materialet, hur man förbättrar det gång på gång, och slutligen hur man mäter egenskaperna. Det tog väldigt, väldigt lång tid.”

Halvledaren är för närvarande endast tvådimensionell (2D) med alla nödvändiga egenskaper för att användas i nanoelektronik. Dess elektriska egenskaper är också långt överlägsna andra tvådimensionella halvledare som för närvarande är under utveckling. Experter tror att upptäckten kan förändra elektronikindustrin helt genom att möjliggöra skapandet av nya, kraftfulla grafensemikonduktorer som använder mindre energi än kisel.

“Denna forskning har inte bara bevarat grafens anmärkningsvärda stabilitet utan också introducerat nya elektroniska egenskaper, vilket banar väg för grafenbaserade chip,” uttalade den i Peking baserade Science and Technology Daily.

Grafenbaserad elektronik är helt enkelt mer effektiv eftersom den kräver mindre energi för att slå på och av, och dessutom kan elektroner flöda utan att producera värme som sedan måste kylas med ännu mer energi. Detta betyder att “telefoner skulle kunna hålla i veckor utan att batteriet tar slut, minska energiförbrukningen i alla delar av våra liv, reducera kostnader och föroreningar från fossila bränslen,” sade Sarah Haigh, professor i material vid Storbritanniens National Graphene Institute, University of Manchester, i en intervju.

Detta kan bana väg för chip som driver mer avancerade persondatorer och kvantdatorer i framtiden. 

Forskarnas studie noterade att elektroner i detta silikonalternativ, precis som ljus, har egenskaper som liknar kvantmekaniska vågor. Dessa egenskaper kan mycket väl utnyttjas vid mycket låga temperaturer. Forskare avser nu att utforska detta i kommande forskning.

Epitaxial grafen låter elektroner röra sig med mindre resistans, vilket betyder att transistorer tillverkade på detta sätt kan fungera vid terahertzfrekvenser. Det hjälper till att övervinna silicons begränsningar, såsom hur snabbt transistorer kan slås på och av, hur små de kan göras och den värme som genereras. 

På så sätt kan det nya materialet orsaka ett paradigmskifte inom elektronikfältet, vilket möjliggör utnyttjandet av elektroners kvantmekaniska vågegenskaper, ett krav för kvantdatorer. Ett stort steg mot nästa generation av beräkning, detta kan öppna dörrarna till ett nytt sätt att bygga elektronik som är mindre och snabbare.

Som de Heer påpekade handlar det inte bara om grafens förmåga att “göra saker mindre och snabbare och med mindre värmeavledning”, utan även om att utnyttja “elektronernas egenskaper som inte är tillgängliga i kisel”, vilket presenterar “ett paradigmskifte – det är ett annat sätt att göra elektronik.” 

Det betyder att en ny generation av elektronik nu är på väg. Under en lång tid har kisel lett elektronik, vilket var ett steg över vakuumrör, som i sin tur kom efter ledningar och telegraf, och nu kommer grafen att leda vägen härnäst.

“För mig är detta som ett Wright brothers-ögonblick,” sade de Heer. “De byggde ett flygplan som kunde flyga 300 fot i luften. Men skeptikerna frågade varför världen skulle behöva flygning när den redan hade snabba tåg och båtar. Men de fortsatte, och det var början på en teknik som kan föra människor över havet.”

Dessutom kan det skalas. Tidigare har grafen visat löfte som halvledare, men endast i liten skala. Att skala upp grafensemikonduktorer till praktiska datorkipstorlekar har varit en utmaning. Det senaste genombrottet använde dock en process som liknar tekniker som används för att skapa kiselchip och är kompatibel med konventionella mikroelektronikprocesser, vilket gör det mer genomförbart att skala upp.

Forskningen använde skivor, vilka enligt David Carey vid Storbritanniens University of Surrey är “verkligen, verkligen skalbara”, och den teknik som för närvarande används av halvledarindustrin kan användas för att “skala upp denna process”.

Det sagt, återstår att se om de senaste grafensemikonduktorerna faktiskt kan prestera bättre än den nuvarande supraledande teknologin. Dessutom, för att världen ska övergå till grafenchip, måste ny forskning förfinas när det gäller kvalitet, storlek och tillverkningsteknik. Detta innebär att det blir en lång resa, och det kan ta mer än ett decennium att fullt ut realisera den industriella implementeringen av grafensemikonduktorer.

Klicka här för listan över de tio bästa aktierna i halvledareutrustning.